旋流式在軌氣液分離裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，是一種液體推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給氣液分離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于航天器在軌補(bǔ)給技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，各航天大國競相發(fā)展在軌補(bǔ)給技 術(shù)。在軌加注過程中，需要采取有效的氣液分離措施，保證供給方提供不含氣推進(jìn)劑，以增 大受補(bǔ)給貯箱的充滿率。在空間微重力條件下，氣泡會懸浮在推進(jìn)劑中，實現(xiàn)這個過程就 變得很困難。目前，氣液分離方式包括：利用隔膜將推進(jìn)劑與增壓氣體隔離，利用離心、推 進(jìn)等方式模擬重力，利用液體表面張力等（PeterKittel.OrbitalResupplyofLiquid Helium[J].J.Spacecraft. 1986, 23(4) :391-396.)。氣液分離技術(shù)直接關(guān)系到補(bǔ)給方式的 選擇、補(bǔ)給速度、受補(bǔ)給貯箱最終充滿率等。推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給要以快速、高效、抗干擾能力 強(qiáng)、可靠性高的氣液分離技術(shù)為前提。
[0003] 雖然隔膜貯箱和表面張力貯箱得到在軌應(yīng)用，但存在著如下缺點：
[0004] 1)隔膜式貯箱的隔膜存在氧化、腐蝕、滲透等問題，使用壽命很有限，貯箱重量大， 排出效率有限。橡膠隔膜與推進(jìn)劑存在相容性問題，且不能用于低溫推進(jìn)劑。
[0005] 2)表面張力貯箱作為供給貯箱，在加注流量較大時會排出氣泡，從而限制了補(bǔ)給 速度。表面張力比較小，內(nèi)角處形成的氣液界面極易受到加速度擾動的影響，葉片結(jié)構(gòu)在 l〇4g至103g加速度下就會失效。網(wǎng)屏剛度低、易變形、容易阻塞、可靠性低。多孔板孔徑 在微米數(shù)量級，難以加工。貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造有一定難度，成本較高（李治.衛(wèi)星用 表面張力貯箱設(shè)計研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2002.)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一種基于離心力的在軌氣液分離裝置，目的是在推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給過程 中，向補(bǔ)給方提供不含氣體的純液體推進(jìn)劑，揭示微重力環(huán)境中氣液兩相流行為特性，獲得 空間旋流式氣液分離器設(shè)計的依據(jù)。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0008] -種基于離心力的在軌氣液分離裝置主要包括一段螺旋形空心圓管，圓管的一端 為氣液混合物的入口，另一端分隔成兩部分，其中一部分為氣體出口，另一部分為液體出 口。當(dāng)氣液混合物從入口進(jìn)入螺旋形空心圓管后，由力學(xué)原理知，離心加速度為
[0010] 式中，a為離心加速度（m/s2)，V為流速（m/s)，r為螺旋半徑（m)。作用在液滴上 的力有離心力、氣體阻力。
[0011] 液滴受合力作用向螺旋管外側(cè)運(yùn)動。液滴所受離心力為
[0012] F1= 1110=P1A^a (2)
[0013] 式中，Hi1為液滴質(zhì)量（kg)，P為液滴密度（kg/m3)，V1為液滴體積（m3)。
[0014] 氣體對液滴的阻力與液滴在空心圓管截面上的運(yùn)動速度平方、液滴在運(yùn)動方向上 的投影面積、氣體密度成正比，可用下式表示
[0016] 式中，R為氣體對液滴的阻力，I為阻力系數(shù)，《為液滴在空心圓管截面上的運(yùn)動 速度（m/s)，d為空心圓管截面的直徑，液滴運(yùn)動距離為d時所需時間為
[0020] 式中，D為螺旋直徑。只要Ot1，螺旋管的長度就足夠使液滴與氣體分離。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)勢是：
[0022] (1)旋流式分離方法依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)兩相分離。它不需要網(wǎng)屏、隔膜、 葉片等元件，這就可以提高可靠性、延長使用壽命、減輕貯箱質(zhì)量。
[0023] (2)旋流產(chǎn)生的離心力將遠(yuǎn)大于擾動加速度，其抗干擾能力也將大大提高。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置用于在軌補(bǔ)給系統(tǒng)的示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置工作時的氣液分布圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置工作時，第一出口處液體比例曲線圖。
【具體實施方式】
[0028] 結(jié)合附圖對本發(fā)明的旋流式氣液分離裝置做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0029] 圖1為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置示意圖，工作時，氣液混合物以一定初 速度及混合比例從分離裝置入口（1)流入，混合物在螺旋段（4)內(nèi)流動，在離心力作用下， 液體在管道內(nèi)緊貼外側(cè)流動，而氣體分布在內(nèi)側(cè)。在流動一圈后。管道截面分為兩個半圓 截面，液體由外側(cè)的液體引出管（5)流出，氣體由內(nèi)側(cè)的氣體引出管（6)流出。
[0030] 圖2為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置用于在軌補(bǔ)給系統(tǒng)的示意圖，1為供給 貯箱，2、13、20、21為壓力傳感器，3、18、22、23為加注/排出閥門，4、9、11、15、17為加注前隔 離閥，5為栗，6、12為流量計，7為旋流式氣液分離器，8、19為壓力調(diào)節(jié)閥門，10、25、16、24為 流體傳輸接口，14為受補(bǔ)給貯箱。加注前9、11、15、17均處于關(guān)閉狀態(tài)，連接傳輸接口 10、 25、16、24，開啟氣體側(cè)隔離閥15、17，開啟液體側(cè)閥門9、11，開啟閥門4，啟動栗5，開始加 注。當(dāng)推進(jìn)劑從供給貯箱1抽出時，可能夾雜氣泡，利用螺旋管分離器進(jìn)行氣液分離后，將 液體部分傳輸至受補(bǔ)給貯箱，而氣體部分通過回路流回供給貯箱內(nèi)。當(dāng)流入混合物的混合 比例發(fā)生變化時，可通過調(diào)節(jié)壓力控制閥8、19,降低流入接受貯箱的推進(jìn)劑的含氣量。在 推進(jìn)劑傳輸任務(wù)中，可利用流量傳感器測量傳輸流量，進(jìn)而得到傳輸質(zhì)量。
[0031] 圖3為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置工作時氣液分布圖，以流入液體比例為 50%，流入速度為0.5111/8為例。由離心加速度公式& = 一/^知，離心加速度為4.17111/82。 圖中螺旋管外側(cè)主要為液體，內(nèi)側(cè)主要為氣體。由于氣液密度差較大，在很短一段距離就實 現(xiàn)氣液的分層流動。
[0032] 圖4為本發(fā)明的旋流式在軌氣液分離裝置工作時第一出口液體比例監(jiān)測曲線，以 流入液體百分比為50%為例，流速在0. 3m/s至I.Om/s范圍內(nèi)，經(jīng)過螺旋管分離，流動達(dá)到 穩(wěn)定狀態(tài)后，第一出口處的液體含量達(dá)到96 %以上。
【主權(quán)項】
1. 一種旋流式在軌氣液分離裝置，其特征在于其包括入口（I)、第一出口（2)、第二出 口（3)、螺旋段（4)、液體引出管（5)、氣體引出管（6);管道截面為圓形，螺旋圈數(shù)為1圈，在 螺旋段結(jié)束時，將管道分為兩個支路，分別為液體引出管（5)、氣體引出管(6)，螺旋半徑為 6cm，螺旋段管徑為2cm; 工作時，氣液混合物以一定初速度及混合比例從分離裝置入口（1)流入，混合物在螺 旋段（4)內(nèi)流動，在離心力作用下，液體在管道內(nèi)緊貼外側(cè)流動，而氣體分布在內(nèi)側(cè)。在流 動一圈后。管道截面分為兩個半圓截面，液體由外側(cè)的液體引出管（5)流出，氣體由內(nèi)側(cè)的 氣體引出管（6)流出。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋流式在軌氣液分離裝置，該裝置可以實現(xiàn)微重力環(huán)境下氣體和液體的分離。所設(shè)計的旋流式在軌氣液分離裝置，包括一圈螺旋形的管道、2個分支管道。其中管道截面為圓形，在管道內(nèi)部設(shè)有隔離板。在流動一圈后，管道截面分為兩個半圓截面，兩個引出管分別用于引出液體推進(jìn)劑及氣體。本發(fā)明效率高、抗干擾能力強(qiáng)，為推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給提供了一種新型、簡單、高效的氣液分離方法。
【IPC分類】B01D19/00, B64D39/00
【公開號】CN105056580
【申請?zhí)枴緾N201510299751
【發(fā)明人】王 華, 崔村燕, 司平均, 張宇, 胡京徽, 陳景鵬, 辛朝軍, 樊東磊, 王巖, 王平, 顏文嫻, 程龍, 李巖, 馬昕暉
【申請人】中國人民解放軍裝備學(xué)院
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年6月3日